CN110892304B - 通过快速扰动可变光束特性光纤产生暂时的视在强度分布 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光束传送装置、系统和方法，用于关于一组限制区域中的成员依次调整传播路径，以建立可控的、暂时的视在强度分布。所公开的技术需要对可变光束特性(VBC)光纤施加不同的扰动状态，以改变传播路径和该组限制区域中的经调整的光束的被限制部分从中传播通过的成员，从而在VBC光纤的输出端建立可控的、暂时的视在强度分布。

Description

通过快速扰动可变光束特性光纤产生暂时的视在强度分布
技术领域
本文公开的技术涉及光纤激光器和光纤耦合激光器。更具体地，所公开的技术涉及用于在光纤激光器或光纤耦合激光器的输出端调整并保持经调整的光束特性(光斑尺寸、发散度轮廓、空间轮廓或光束形状等或其任意组合)的方法、设备和系统。
相关申请
本申请是2017年5月26日提交的以下申请中的每一个的部分延续：美国专利申请No.15/607,399；No.15/607,410和No.15/607,411；以及国际申请PCT/US2017/034848。这些申请中的每一个都要求2016年9月29日提交的美国临时专利申请No.62/401,650的权益。所有这些申请的全部内容通过引用结合于此。
背景技术
高功率光纤耦合激光器的使用在各种应用中继续受到欢迎，例如，材料加工、切割、焊接和/或增材制造。这些激光器包括例如光纤激光器、圆盘激光器、二极管激光器、二极管泵浦固态激光器和灯泵浦固态激光器。在这些系统中，光功率经由光纤从激光器传送到工件。
各种光纤耦合激光器材料加工任务需要不同的光束特性(例如，空间轮廓和/或发散度轮廓)。例如，切割厚金属和焊接通常需要比切割薄金属更大的光斑尺寸。理想情况下，激光束的特性是可调整的，以实现对这些不同任务的优化加工。常规上，用户有两种选择：(1)采用具有固定光束特性的激光系统，该系统可以用于不同的任务，但对大多数任务来说不是最佳的(即，在性能和灵活性之间折衷)；或者(2)购买激光系统或附件，其提供可变光束特性，但增加了显著的成本、尺寸、重量、复杂性，并且可能会导致性能下降(例如，光损耗)或可靠性下降(例如，鲁棒性降低或可运行时间缩短)。当前可用的能够改变光束特性的激光系统需要使用自由空间光学器件或其他复杂且昂贵的附加机构(例如，变焦透镜、反射镜、可平移或机动化的透镜、组合器等)，以改变光束特性。没有一种解决方案能够提供所需的光束特性可调整性，从而最大限度地减少或消除对使用自由空间光学器件或其他附加部件的依赖，这些部件在成本、复杂性、性能和/或可靠性方面带来了相当大的损失。所需要的是一种用于提供变化的光束特性的光纤内装置，该装置不需要或最小化自由空间光学器件的使用，并且可以避免显著的成本、复杂性、性能折衷和/或可靠性降低。
Fraunhofer IWS的Goppold等人描述了使用他们称为“动态光束成形”(DBS)的技术来改进厚钢板激光切割的尝试。如Industrial Photonics第4卷，第3期(2017年7月)中第18页和第19页及其它位置所述，DBS需要同步以下两个移动阶段。第一阶段是激光切割机相对于激光束的移动，其由馈送速度和工件几何形状来定义。第二阶段是在切割切口内激光束的附加的高频检流计控制的振荡。关于第二阶段，Goppold等人描述了旨在通过在切割材料内均匀分布光能以优化切割切口来提高切割质量(例如，减少浮渣附着和氧化)的8字形、左右、前后和其他类型的光束移动。然而，这些尝试使用昂贵的自由空间光学器件，并依赖于扫描技术。
发明内容
通过以下示例实施例概述了本公开。通过下面参考附图进行的实施例的详细描述，另外的方面和优点将变得明显。
示例性实施例1：一种光束传送装置，所述光束传送装置被配置为关于一组限制区域中的成员依次地调整传播路径，以建立可控的、暂时的视在强度分布，所述光束传送装置包括：第一长度光纤，所述第一长度光纤具有用于光束传播的第一折射率轮廓(RIP)，所述第一RIP能够响应于所施加的扰动来修改所述光束，以形成经调整的光束，所述经调整的光束能够响应于所施加的不同的扰动状态移动以沿着不同的传播路径传播；以及第二长度光纤，所述第二长度光纤耦合到所述第一长度光纤，并且具有不同于所述第一RIP的第二RIP，限定了所述一组限制区域，其中所述一组中的不同成员占据不同的位置，以在所述第二长度光纤的输出端提供不同的强度分布，使得响应于依次地施加不同的扰动状态，所述一组中的被限制部分从中传播通过的不同成员在所述第二长度光纤的输出端建立所述可控的、暂时的视在强度分布。
示例实施例2：根据前述示例1所述的光束传送装置，其中，所述一组限制区域包括同轴限制区域。
示例性实施例3：根据前述示例1或2所述的光束传送装置，其中，所述可控的、暂时的视在强度分布具有暂时的视在强度轮廓，所述暂时的视在强度轮廓选自包括高斯、鞍形、环形、细长和基本平顶的视在强度轮廓的群组。
示例实施例4：根据前述示例1所述的光束传送装置，其中，所述第一RIP包括梯度折射率RIP。
示例实施例5：根据前述示例1所述的光束传送装置，其中，所述不同的扰动状态包括机械振荡，所述机械振荡被配置为在所述一组限制区域中的两个或更多个成员之间移动所述经调整的光束的传播路径。
示例实施例6：根据前述示例1所述的光束传送装置，其中，所述光束传送装置还包括扰动装置，所述扰动装置包括音圈或压电装置。
示例实施例7：根据前述示例1所述的光束传送装置，其中，所述第二长度光纤包括多芯光纤。
示例实施例8：一种光功率定序器，其用于产生可控的、暂时的视在强度分布，所述光功率定序器包括：激光源，所述激光源用于提供光束；可变光束特性(VBC)光纤，所述可变光束特性光纤包括彼此耦合的第一长度光纤和第二长度光纤，所述第一长度光纤和所述第二长度光纤分别具有彼此不同的第一折射率轮廓(RIP)和第二折射率轮廓(RIP)，所述第一RIP能够响应于施加到所述VBC光纤上的扰动来修改所述光束，以形成在所述第二长度光纤的输入端呈现强度分布的经调整的光束，所述强度分布能够基于不同的扰动状态进行调整，且所述第二RIP由多个限制区域限定，所述多个限制区域被设置为限制所述经调整的光束的对应于所述强度分布的至少一部分；以及控制器，所述控制器可操作地耦合到所述VBC光纤，并被配置为控制扰动装置，所述扰动装置基于来自所述控制器的信号施加不同的扰动状态，所述信号表示所述一组限制区域中的被限制部分应该从中传播通过的哪个或哪些成员，以便在所述第二长度光纤的输出端建立可控的、暂时的视在强度分布。
示例实施例9：根据前述示例8所述的光功率定序器，其中，所述信号被配置为致使所述扰动装置产生施加到所述VBC光纤的快速机械振荡。
示例实施例10：根据前述示例8所述的光功率定序器，其中，所述光功率定序器还包括扰动装置，所述扰动装置包括音圈或压电装置。
示例实施例11：根据前述示例8所述的光功率定序器，其中，所述控制器被配置为当改变所述一组限制区域中的所述被限制部分应该从中传播通过的所述一个或多个成员时，致使所述扰动装置改变光束停留时间。
示例实施例12：根据前述示例8所述的光功率定序器，其中，所述一组限制区域包括同轴限制区域。
示例实施例13：根据前述示例8所述的光功率定序器，其中，所述一组限制区域包括非同轴限制芯。
示例性实施例14：一种通过关于一组限制区域中的成员依次地调整传播路径以建立可控的、暂时的视在强度分布来激光加工材料的方法，所述方法包括：在可变光束特性(VBC)光纤处接收光束，所述可变光束特性光纤包括第一长度光纤和第二长度光纤，所述第一长度光纤和所述第二长度光纤分别具有彼此不同的第一折射率轮廓(RIP)和第二折射率轮廓(RIP)，所述第一RIP能够响应于施加到所述VBC光纤上的扰动来修改所述光束，以形成经调整的光束，且所述第二RIP由所述一组限制区域限定，所述一组限制区域被设置为限制所述经调整的光束的对应于施加到所述VBC光纤上的扰动状态的至少一部分；以及向所述VBC光纤施加不同的扰动状态，以改变所述传播路径和所述一组限制区域中的所述经调整的光束的被限制部分从中传播通过的成员，从而在所述第二长度光纤的输出端建立所述可控的、暂时的视在强度分布。
示例实施例15：根据前述示例14所述的方法，其中，所述一组限制区域包括第一区域和同轴地包围所述第一区域的第二区域，并且所述施加包括在所述第一区域和所述第二区域之间抖动光强度。
示例实施例16：根据前述示例14所述的方法，其中，所述一组限制区域包括第一芯和与所述第一芯间隔开的第二芯，并且所述施加包括在所述第一芯和所述第二芯之间抖动光强度。
示例实施例17：根据前述示例14所述的方法，其中，所述施加包括：施加第一扰动状态并持续第一持续时间；以及施加第二扰动状态并持续不同于所述第一持续时间的第二持续时间。
示例实施例18：根据前述示例17所述的方法，其中，所述第一状态包括所述第一长度光纤的未扰动状态。
示例实施例19：根据前述示例14所述的方法，其中，所述不同的扰动状态对应于不同传播路径的可重复模式。
示例实施例20：根据前述示例14所述的方法，其中，所述第一RIP包括梯度折射率RIP。
进一步的示例实施例：一种计算机或机器可读介质，用于实现设备、系统或装置，或者在其上存储用于处理器的指令，当执行所述指令时，所述处理器执行任何示例的方法。
附图说明
附图中相同的附图标记表示相同的元件，这些附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且与说明书一起解释当前公开的技术的优点和原理。在附图中，
图1示出用于提供具有可变光束特性的激光束的示例性光纤结构；
图2绘示出用于传送具有可变光束特性的光束的示例性光纤结构的截面图；
图3示出扰动用于提供具有可变光束特性的光束的光纤结构的示例方法；
图4是示出针对不同光纤弯曲半径的第一长度光纤计算的最低阶模式(LP01)的空间轮廓的曲线图；
图5示出当用于改变光束特性的光纤几乎笔直时在结点(junction)处的二维强度分布的示例；
图6示出当用于改变光束特性的光纤以所选择的半径弯曲以优先激励第二长度光纤的具体限制区域时在结点处的二维强度分布的示例；
图7-10绘示出实验结果，以示出用于改变图2所示的光束特性的光纤的各种弯曲半径的另外的输出光束；
图11-16示出用于实现光纤组件中的光束特性调整的示例性第一长度光纤的截面图；
图17-19示出用于限制光纤组件中的经调整的光束特性的示例性第二长度光纤(“限制光纤”)的截面图；
图20和21示出用于改变光纤组件中的经调整的光束的发散角并在光纤组件中限制经调整的光束的示例性第二长度光纤的截面图，该光纤组件被配置为提供可变光束特性；
图22A示出包括光纤组件的示例性激光系统，该光纤组件被配置为提供位于馈送光纤和加工头之间的可变光束特性；
图22B示出包括光纤组件的示例性激光系统，该光纤组件被配置为提供位于馈送光纤和加工头之间的可变光束特性；
图23示出包括光纤组件的示例性激光系统，该光纤组件被配置为提供位于馈送光纤和多个加工光纤之间的可变光束特性；
图24示出根据本文提供的各种示例的用于提供可变光束特性的各种扰动组件的示例；
图25示出用于调整和保持光束的经修改的特性的示例性过程；
图26-28是示出用于限制光纤组件中的经调整的光束特性的示例性第二长度光纤(“限制光纤”)的截面图；
图29、30和31示出了用于改变图2所示的光束特性的光纤的三种不同的扰动状态的序列输出光束；
图32A、32B和32C分别示出了根据图29、30和31所示的不同时间加权的序列输出光束产生的平顶、鞍形和阶梯形的暂时的视在强度分布；
图33是根据一个实施例的用于生成暂时的视在强度分布的光功率定序器的框图；
图34和35示出了用于生成图33、36A、36B、36C和36D所示的暂时的视在强度分布的多芯光纤；以及
图36A、36B、36C和36D是图33所示的暂时的视在强度分布的放大图。
具体实施方式
如整个本公开和权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该(所述)”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。另外，术语“包含”是指“包括”。此外，术语“耦合(联接)”不排除在耦合(联接)的物项之间存在中间元件。此外，术语“修改”和“调整”可互换使用，表示“改变”。
本文描述的系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开单独以及以彼此的各种组合和子组合涉及各种公开的实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所公开的系统、方法和设备不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个特定的优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这些操作理论。
尽管为了方便呈现，以特定的顺序描述了一些公开的方法的操作，但是应该理解，这种描述方式包括重新排列，除非下面陈述的特定语言需要特定的顺序。例如，依次描述的操作在某些情况下可以重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的各种方式。此外，本说明书有时使用诸如“生产”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体的实现方式而变化，并且本领域普通技术人员容易辨别。
在一些示例中，值、过程或设备称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在指示可以在所使用的许多功能替换中进行选择，并且这样的选择不需要比其他选择更好、更小或更优。参照指示为“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不意味着任何特定的空间方向。
定义
本文使用的词语和术语的定义：
1.术语“光束特性”表示用于描述光束的下列一个或多个术语。通常，最关注的光束特性取决于应用或光学系统的具体情况。
2.术语“光束直径”被定义为沿着轴跨过光束中心的距离，对于该轴，辐照度(强度)等于最大辐照度的1/e2。虽然本文公开的示例通常使用以方位角对称模式传播的光束，但是可以使用椭圆或其他光束形状，并且光束直径可以沿着不同的轴而不同。圆形光束的特征在于单个光束直径。其他光束形状可以沿着不同的轴具有不同的光束直径。
3.术语“光斑尺寸”是从最大辐照度的中心点到1/e2点的径向距离(半径)。
4.术语“光束发散度分布”是功率对全锥角。这个量有时称为“角度分布”或“NA分布”。
5.术语激光束的“光束参数积”(BPP)定义为光束半径(在光束腰部处测量的)和光束发散度半角(在远场中测量的)的乘积。BPP的单位通常是mm-mrad。
6.“限制光纤”被定义为具有一个或多个限制区域的光纤，其中，限制区域包括被低折射率区域(包层区域)包围的高折射率区域(芯区域)。限制光纤的RIP可包括被低折射率区域(包层区域)包围的一个或多个高折射率区域(芯区域)，其中，在高折射率区域中引导光。每个限制区域和每个包层区域可具有任何RIP，包括但不限于阶跃折射率和梯度折射率。限制区域可以是同心的，也可以不是同心的，并且可以是各种形状，例如，圆形、环形、多边形、弓形、椭圆形或不规则形等或者其任意组合。特定限制光纤中的限制区域可以都具有相同的形状或者可以是不同的形状。此外，限制区域可以是同轴的或者可以具有相对于彼此偏移的轴。限制区域可围绕中心轴线在纵向上具有均匀的厚度，或者厚度可以围绕中心轴线在纵向上变化。
7.术语“强度分布”是指作为沿着线(一维轮廓)或在平面(二维轮廓)上的位置的函数的光强度。线或平面通常垂直于光的传播方向。这是一种数量属性。
8.“亮度”是在给定方向上传播的光的每单位面积的发光强度的光度测量值。
9.“M2因子”(也称为“光束质量因子”或“光束传播因子”)是用于量化激光束的光束质量的无量纲参数，M2＝1是衍射受限光束，较大的M2值对应于较低的光束质量。M2等于BPP除以λ/π，其中，λ是光束的波长，单位为微米(如果BPP以mm-mrad为单位表示)。
10.术语光学系统的“数值孔径”或“NA”是无量纲数，表征系统可以接受或发射的光的角度范围。
11.术语“光强度”不是官方(SI)单位，而是用来表示表面上的或穿过平面的单位面积的入射功率。
12.术语“功率密度”是指每单位面积的光功率，尽管这也称为“光强度”。
13.术语“径向光束位置”是指在垂直于光纤轴的方向上，相对于光纤芯的中心测量的光纤中的光束的位置。
14.“辐射率”是光源(例如，激光器)的单位面积在给定方向上每单位立体角发射的辐射。辐射率可以通过改变光束强度分布和/或光束发散度轮廓或分布来改变。改变激光束的辐射率轮廓的能力意味着改变BPP的能力。
15.术语“折射率轮廓”或“RIP”是指折射率，作为沿着垂直于光纤轴的线(1D)或在垂直于光纤轴的平面(2D)中的位置的函数。许多光纤是方位对称的，在这种情况下，任何方位角的1D RIP都是相同的。
16.“阶跃折射率光纤”具有在光纤芯内平坦(折射率与位置无关)的RIP。
17.“梯度折射率光纤”具有这样的RIP，其中，折射率随着径向位置的增加(即，随着与光纤芯的中心的距离增加)而降低。
18.“抛物线折射率光纤”是梯度折射率光纤的一种特殊情况，其中，折射率随着与光纤芯的中心的距离的增加而二次方地降低。
用于改变光束特性的光纤
在本文公开了方法、系统和设备，其被配置为提供光纤，该光纤可操作以提供具有可变光束特性(VBC)的激光束，该可变光束特性可降低上述常规方法的成本、复杂性、光损耗或其他缺点。这种VBC光纤被配置为改变多种光束特性。可使用VBC光纤来控制这些光束特性，从而允许用户调整各种光束特性，以适应各种激光加工应用的特殊要求。例如，VBC光纤可用于调整：光束直径、光束发散度分布、BPP、强度分布、M2因子、NA、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率、光斑尺寸等，或其任意组合。
通常，所公开的技术需要将激光束耦合到光纤中，其中，可以通过多种方法中的任何一种方法扰动激光束和/或扰动第一长度光纤(例如，弯曲光纤或引入一个或多个其他扰动)，并且在第二长度光纤中完全或部分地保持经调整的光束特性，来调整光纤中激光束的特性。第二长度光纤被特别配置为保持和/或进一步修改经调整的光束特性。在一些情况下，第二长度光纤通过将激光束传送到其最终用途(例如，材料加工)来保持经调整的光束特性。第一长度光纤和第二长度光纤可包括相同或不同的光纤。
所公开的技术与光纤激光器和光纤耦合激光器兼容。光纤耦合激光器通常经由具有阶跃折射率轮廓(RIP)的传送光纤传输输出，即，具有在光纤芯内的平坦或恒定的折射率。实际上，取决于光纤的设计，传送光纤的RIP可能不是完全平坦的。重要的参数是光纤的芯直径(dcore)和NA。芯直径通常在10-1000微米的范围内(尽管其他值也是可能的)，NA通常在0.06-0.22的范围内(尽管其他值也是可能的)。来自激光器的传送光纤可以直接路由到加工头或工件，或者可以路由到光纤-光纤耦合器(FFC)或光纤-光纤开关(FFS)，其将来自传送光纤的光耦合到将光束传输到加工头或工件的加工光纤中。
大多数材料加工工具(特别是那些高功率(>1kW)的材料加工工具)采用多模(MM)光纤，但一些材料加工工具采用单模(SM)光纤，该单模光纤位于dcore和NA范围的低端。SM光纤的光束特性由光纤参数唯一确定。然而，来自MM光纤的光束特性可能变化(单位到单位和/或根据激光功率和时间)，这取决于来自耦合到光纤中的激光源的光束特性、光纤的发射或拼接条件、光纤RIP以及光纤的静态和动态几何形状(弯曲、盘绕、运动、微弯曲等)。对于SM和MM传送光纤，光束特性对于给定的材料加工任务来说可能不是最佳的，对于一系列任务来说也不太可能是最佳的，这促使人们希望能够系统地改变光束特性，以便为特定的加工任务进行定制或优化。
在一个示例中，VBC光纤可以具有第一长度和第二长度，并且可以被配置为作为光纤内装置插置在传送光纤和加工头之间，以提供光束特性所需的可调整性。为了能够调整光束，扰动装置和/或组件设置在VBC光纤附近和/或与VBC光纤耦合，并且负责扰动第一长度的光束，使得光束的特性在第一长度光纤中改变，并且随着光束在第二长度光纤中传播，保持或进一步改变改变后的特性。扰动的光束发射到第二长度的VBC光纤中，该光纤被配置为保持经调整的光束特性。第一长度光纤和第二长度光纤可以是相同或不同的光纤和/或第二长度光纤可包括限制光纤。由第二长度的VBC光纤保持的光束特性可包括以下任一项：光束直径、光束发散度分布、BPP、强度分布、亮度、M2因子、NA、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率、光斑尺寸等或者其任意组合。
图1示出了示例性VBC光纤100，其用于提供具有可变光束特性的激光束，而不需要使用自由空间光学器件来改变光束特性。VBC光纤100包括第一长度光纤104和第二长度光纤108。第一长度光纤104和第二长度光纤108可以是相同或不同的光纤，并且可以具有相同或不同的RIP。第一长度光纤104和第二长度光纤108可以通过接头连接在一起。第一长度光纤104和第二长度光纤108可以以其他方式耦合，可以间隔开，或者可以经由插入部件连接，例如，另一长度光纤、自由空间光学器件、胶、折射率匹配材料等或者其任意组合。
扰动装置110设置在扰动区域106附近和/或包围扰动区域106。扰动装置110可以是装置、组件、光纤内结构和/或其他特征。扰动装置110至少扰动第一长度光纤104或第二长度光纤108或其组合中的光束102，以便调整光束102的一个或多个光束特性。响应于扰动装置110的扰动，可以在第一长度光纤104或第二长度光纤108或其组合中发生光束102的调整。扰动区域106可以在各种宽度上延伸，并且可以延伸或不延伸到第二长度光纤108的一部分中。当光束102在VBC光纤100中传播时，扰动装置110可以物理地作用在VBC光纤100上，以扰动光纤并调整光束102的特性。或者，扰动装置110可以直接作用在光束102上，以改变其光束特性。在调整之后，被扰动光束112具有与光束102的光束特性不同的光束特性，其将在第二长度光纤108中完全或部分地保持。在另一示例中，扰动装置110不需要设置在接头附近。此外，根本不需要接头，例如，VBC光纤100可以是单根光纤，第一长度光纤和第二长度光纤可以间隔开或者以小间隙固定(空气间隔或填充有光学材料，例如，光学胶或折射率匹配材料)。
被扰动光束112发射到第二长度光纤108中，其中，随着被扰动光束112传播，被扰动光束112的特性很大程度上被保持或继续发展，从而在第二长度光纤108的输出端产生经调整的光束特性。在一个示例中，新的光束特性可包括经调整的强度分布。在一个示例中，改变的光束强度分布将保持在第二长度光纤108的各种结构上有界限的限制区域中。因此，可以将光束强度分布调整到针对特定激光加工任务优化的期望光束强度分布。通常，被扰动光束112的强度分布将随着其在第二长度光纤108中传播而发展，以填充限制区域，其中响应于第一长度光纤104中的条件和由扰动装置110引起的扰动，被扰动光束112发射到该限制区域中。此外，根据发射条件和光纤特性，随着光束在第二光纤中传播，角度分布可能演变。通常，光纤在很大程度上保持了输入发散度分布，但是如果输入发散度分布很窄和/或如果光纤具有扰乱发散度分布的不规则性或故意性特征，则可能加宽该分布。下文将更详细地描述第二长度光纤108的各种限制区域、扰动和光纤特征。光束102和112是概念上的抽象，旨在示出光束如何传播通过VBC光纤100，以提供可变的光束特性，并非旨在对特定光束的行为进行精确地模拟。
VBC光纤100可通过多种方法制造，包括PCVD(等离子体化学气相沉积)、OVD(外部气相沉积)、VAD(气相轴向沉积)、MOCVD(金属-有机化学气相沉积)和/或DND(直接纳米颗粒沉积)。VBC光纤100可包括多种材料。例如，VBC光纤100可包括SiO2、掺杂有GeO2的SiO2、锗硅酸盐、五氧化二磷、磷硅酸盐、Al2O3、铝硅酸盐等或其任意组合。限制区域可由掺杂氟、硼等或其任意组合的包层来限定。其他掺杂剂可以添加到活性光纤中，包括稀土离子，例如，Er3+(铒)、Yb3+(镱)、Nd3+(钕)、Tm3+(铥)、Ho3+(钬)等或其任意组合。限制区域可由折射率低于氟或硼掺杂的限制区域的折射率的包层来限定。或者，VBC光纤100可包括光子晶体光纤或微结构光纤。
VBC光纤100适用于各种光纤、光纤光学器件或光纤激光器装置中的任何一种，包括连续波和脉冲光纤激光器、圆盘激光器、固态激光器或二极管激光器(脉冲速率不受限制，除了物理限制以外)。此外，平面波导或其他类型波导(而不仅仅是光纤)中的实现方式都在所要求保护的技术范围内。
图2绘示出用于调整光束的光束特性的示例性VBC光纤200的截面图。在一个示例中，VBC光纤200可以是加工光纤，因为可以将光束传送到加工头以用于材料加工。VBC光纤200包括在结点206处拼接到第二长度光纤208的第一长度光纤204。扰动组件210设置在结点206附近。扰动组件210可以是被配置为能够调整在VBC光纤200中传播的光束202的光束特性的各种装置中的任何一种。在一个示例中，扰动组件210可以是心轴和/或另一装置，其可以提供改变接头附近的VBC光纤200的弯曲半径和/或弯曲长度的方式。将在下面参照图24讨论扰动装置的其他示例。
在一个示例中，第一长度光纤204具有抛物线折射率RIP 212，如左RIP图所示。当光纤204是笔直的或接近笔直的时，光束202的大部分强度分布集中在光纤204的中心。第二长度光纤208是具有RIP 214的限制光纤，如右RIP图所示。第二长度光纤208包括限制区域216、218和220。限制区域216是由两个环形(或环状)限制区域218和220包围的中心芯。层222和224是通常称为“包层”区域的限制区域(216、218和220)之间的由低折射率材料构成的结构屏障。在一个示例中，层222和224可包括氟硅酸盐环；在一些实施例中，氟硅酸盐包层相对较薄。也可以使用其他材料，并且要求保护的主题不限于此。
在一个示例中，当光束202沿着VBC光纤200传播时，扰动组件210可以物理地作用在光纤204和/或光束202上，以调整其光束特性并生成经调整的光束226。在当前示例中，光束202的强度分布被扰动组件210修改。在调整光束202之后，经调整的光束226的强度分布可集中在外部限制区域218和220中，其中，在中心限制区域216中强度相对较小。因为限制区域216、218和/或220中的每一个被屏障层222和224中的较低折射率材料薄层隔离，所以第二长度光纤208可以基本上保持经调整的光束226的经调整的强度分布。光束通常会在给定的限制区域内以方位角分布，但是当沿着第二长度光纤208传播时，不会在限制区域之间(显著地)过渡。因此，经调整的光束226的经调整的光束特性在很大程度上保持在隔离的限制区域216、218和/或220内。在一些情况下，可能希望在限制区域216、218和/或220之间划分光束226的功率，而不是集中在单个区域中，并且这种状态可以通过生成适当的经调整的光束226来实现。
在一个示例中，芯限制区域216和环形限制区域218和220可以由熔融石英玻璃构成，并且限定限制区域的包层222和224可以由氟硅酸盐玻璃构成。其他材料可用于形成各种限制区域(216、218和220)，包括锗硅酸盐、磷硅酸盐、铝硅酸盐等或其组合，并且要求保护的主题不限于此。其他材料可用于形成屏障环(222和224)，包括熔融二氧化硅、硼硅酸盐等或其组合，并且要求保护的主题不限于此。在其他实施例中，光纤或波导包括或由各种聚合物或塑料或晶体材料组成。通常，芯限制区域的折射率大于相邻屏障/包层区域的折射率。
在一些示例中，可能希望增加第二长度光纤中的限制区域的数量，以增加在光束位移上的光束控制的粒度，从而微调光束轮廓。例如，限制区域可以被配置为提供逐步的光束位移。
图3示出扰动光纤200以提供光束的可变光束特性的示例性方法。改变光纤的弯曲半径可以改变光纤内的光束的径向光束位置、发散角和/或辐射率轮廓。VBC光纤200的弯曲半径可通过使用阶梯形心轴或锥体作为扰动组件210而围绕拼接结点206从第一弯曲半径R1减小到第二弯曲半径R2。另外或替代地，心轴或锥体上的接合长度可以变化。辊250可用于横跨扰动组件210与VBC光纤200接合。在一个示例中，辊250与光纤200的接合量已经显示为将强度轮廓的分布转移到具有固定心轴半径的光纤200的外部限制区域218和220。有多种其他方法用于改变光纤200的弯曲半径，例如，使用夹持组件、挠性管等或其组合，并且要求保护的主题不限于此。在另一示例中，对于特定的弯曲半径，VBC光纤200弯曲的长度也可以以可控和可再现的方式来改变光束特性。在示例中，改变弯曲半径和/或长度(光纤以特定的弯曲半径在该长度上弯曲)也修改了光束的强度分布，使得一个或多个模式可以径向地偏离光纤芯的中心。
保持光纤在结点206上的弯曲半径，确保了经调整的光束特性(例如，光束202的径向光束位置和辐射率轮廓)在发射到第二长度光纤208之前不会返回到其未扰动状态。此外，可基于VBC光纤200的弯曲半径和/或弯曲长度的减小程度来改变经调整的光束226的经调整的径向光束特性，包括位置、发散角和/或强度分布。因此，可以使用该方法获得特定的光束特性。
在当前示例中，具有第一RIP 212的第一长度光纤204在结点206处拼接到具有第二RIP 214的第二长度光纤208。然而，可以使用具有单个RIP的单根光纤，该RIP形成为能够扰动(例如，通过微弯曲)光束202的光束特性，并且能够保持经调整的光束。这种RIP可以类似于图17、18和/或19所示的光纤中所示的RIP。
图7-10提供了VBC光纤200(如图2和3所示)的实验结果，并进一步示出当扰动组件210作用在VBC光纤200上以弯曲光纤时，对VBC光纤200的扰动的光束响应。图4-6是模拟，图7-10是实验结果，其中，来自SM 1050nm光源的光束发射到具有40微米的芯直径的输入光纤(未示出)中。输入光纤拼接到第一长度光纤204。
图4是示出不同光纤弯曲半径402的第一长度光纤204的最低阶模式(LP01)的计算轮廓的示例性图表400，其中，扰动组件210涉及弯曲VBC光纤200。随着光纤弯曲半径的减小，调整在VBC光纤200中传播的光束，使得模式径向地偏离VBC光纤200的芯的中心404(r＝0微米)，朝向芯/包层界面(在该示例中位于r＝100微米处)。高阶模式(LPIn)也随着弯曲而偏移。因此，对于笔直的或接近笔直的光纤(非常大的弯曲半径)，LP01的曲线406在VBC光纤200的中心或其附近居中。在大约6cm的弯曲半径处，LP01的曲线408从VBC光纤200的中心406偏移到大约40μm的径向位置。在大约5cm的弯曲半径处，LP01的曲线410从VBC光纤200的中心406偏移到大约50μm的径向位置。在大约4cm的弯曲半径处，LP01的曲线412从VBC光纤200的中心406偏移到大约60μm的径向位置。在大约3cm的弯曲半径处，LP01的曲线414从VBC光纤200的中心406偏移到大约80μm的径向位置。在大约2.5cm的弯曲半径处，LP01的曲线416从VBC光纤200的中心406偏移到大约85μm的径向位置。注意，模式的形状保持相对恒定(直到接近芯的边缘)，这是抛物线RIP的特定属性。尽管在某些情况下，该属性可能是期望的，但VBC功能不需要该属性，并且可以使用其他RIP。
在一个示例中，如果VBC光纤200被拉直，则LP01模式将移回光纤的中心。因此，第二长度光纤208的目的是将光束的经调整的强度分布“捕获”或限制在偏离VBC光纤200中心的限制区域中。光纤204和208之间的接头包括在弯曲区域中，因此移位的模式轮廓将优先发射到环形限制区域218和220中的一个中，或者分布在限制区域中。图5和6示出了这种效果。
图5示出了当VBC光纤200几乎笔直时，在第二长度光纤208内的结点206处的示例性二维强度分布。大部分LP01和LPIn在光纤208的限制区域216内。图6示出了当VBC光纤200以所选择的半径弯曲以优先激励第二长度光纤208的限制区域220(最外面的限制区域)时，在第二长度光纤208内的结点206处的二维强度分布。大部分LP01和LPIn在光纤208的限制区域220内。
在一个示例中，第二长度光纤208的限制区域216具有100微米的直径，限制区域218的直径在120微米和200微米之间，限制区域220的直径在220微米和300微米之间。限制区域216、218和220由10μm厚的氟硅酸盐环隔开，从而为限制区域提供0.22的NA。可以采用限制区域的其他的内径和外径、分隔限制区域的环的厚度、限制区域的NA值以及限制区域的数量。
再次参考图5，利用所述参数，当VBC光纤200笔直时，大约90％的功率包含在中心限制区域216内，并且大约100％的功率包含在限制区域216和218内。现在参考图6，当光纤200弯曲以优先激励第二环形限制区域220时，接近75％的功率包含在限制区域220内，超过95％的功率包含在限制区域218和220内。这些计算包括LP01和两种高阶模式，这在一些2-4kW光纤激光器中是典型的。
从图5和图6可以清楚地看出，在扰动组件210作用在VBC光纤200上以弯曲光纤的情况下，弯曲半径确定了第一长度光纤204的模态强度分布与第二长度光纤208的不同引导限制区域(216、218和220)的空间重叠。因此，改变弯曲半径可以改变第二长度光纤208的输出端的强度分布，从而改变光束的直径或光斑尺寸，并因此改变其辐射率和BPP值。可以在全光纤结构中实现光斑尺寸的这种调整，从而不涉及自由空间光学器件，因此可以减少或消除上述自由空间光学器件的缺点。这种调整也可以通过改变弯曲半径、弯曲长度、光纤张力、温度或下面讨论的其他扰动的其他扰动组件来进行。
在典型的材料加工系统(例如，切割或焊接工具)中，加工光纤的输出由加工头在工件处或附近成像。因此，改变如图5和6所示的强度分布能够改变工件处的光束轮廓，以便根据需要调整和/或优化工艺。出于上述计算的目的，假设了两种光纤的特定RIP，但是其他RIP也是可能的，并且所要求保护的主题不限于此。
图7-10绘示出实验结果(测量的强度分布)，以示出图2所示的VBC光纤200的各种弯曲半径的另外的输出光束。
在图7中，当VBC光纤200笔直时，光束几乎完全限于限制区域216。随着弯曲半径的减小，输出端的强度分布移动到更远离限制区域216的限制区域218和220的更大直径，例如，参见图8-10中可见的这种移动。图8绘示出当VBC光纤200的弯曲半径被选择为使强度分布优先向限制区域218移动时的强度分布。图9绘示出当弯曲半径进一步减小并被选择为使强度分布向外移动到限制区域220和限制区域218时的实验结果。在图10中，在最小弯曲半径时，光束几乎是“环形模式”，大部分强度在最外面的限制区域220中。
尽管在拼接结点206处从一侧激励限制区域，但是由于光束在VBC光纤200内传播时限制区域内的加扰，强度分布在方位角上是几乎对称的。虽然光束在传播时通常会在方位角上加扰，但是可以包括各种结构或扰动(例如，线圈)，以促进这一过程。
对于在图7-10所示的实验中使用的光纤参数，并不完全激励特定的限制区域，因为在多个限制区域中存在某种强度。该特征可以实现有利的材料加工应用，这些应用通过具有更平坦或分布的光束强度分布而被优化。在需要对给定限制区域进行更清洁的激励的应用中，可以采用不同的光纤RIP来实现这一特征。
图7-10中所示的结果与本实验中使用的特定光纤有关，并且细节将根据实现方式的细节而变化。具体而言，输出光束的空间轮廓和发散度分布及其对弯曲半径的依赖性将取决于所采用的特定RIP、拼接参数以及发射到第一光纤中的激光源的特性。
可以使用不同于图2所示的光纤参数，并且这些参数仍然在要求保护的主题的范围内。具体地，不同的RIP和芯尺寸和形状可用于促进与不同输入光束轮廓的兼容性，并实现不同的输出光束特性。除了图2所示的抛物线折射率轮廓之外，第一长度光纤的示例RIP还包括其他梯度折射率轮廓、阶跃折射率、基座设计(pedestal design)(即，随着距光纤中心距离的增加，折射率逐渐降低的嵌套芯)以及具有相同折射率值但中心芯和周围环具有不同NA值的嵌套芯的设计。除了图2所示的轮廓之外，第二长度光纤的示例RIP包括具有不同数量限制区域的限制光纤、非均匀限制区域厚度、包围限制区域的环的厚度的不同和/或非均匀的值、限制区域的不同和/或非均匀的NA值、RIP的高折射率和低折射率部分的不同折射率值、非圆形限制区域(例如，椭圆形、卵形、多边形、正方形、矩形或其组合)以及其他设计，如在图26-28中更详细讨论的。此外，本文描述的VBC光纤200和VBC光纤的其他示例不限于使用两根光纤。在一些示例中，实现方式可以包括使用一根光纤或两根以上的光纤。在某些情况下，光纤可能不是轴向均匀的；例如，可以包括光纤布拉格光栅或长周期光栅，或者直径可以沿着光纤的长度变化。此外，光纤不必是方位对称的，例如，芯可以具有正方形或多边形形状。可以使用各种光纤涂层(缓冲层)，包括高折射率或折射率匹配涂层(其在玻璃-聚合物界面处剥离光)和低折射率涂层(其在玻璃-聚合物界面处通过全内反射引导光)。在一些示例中，可以在VBC光纤200上使用多个光纤涂层。
图11-16示出了用于能够响应于在第一长度光纤中传播的光束的扰动来调整VBC光纤中的光束特性的第一长度光纤的示例的截面图。可以在第一长度光纤中调整的光束特性的一些示例是：光束直径、光束发散度分布、BPP、强度分布、亮度、M2因子、NA、光强度分布、功率密度分布、径向光束位置、辐射率、光斑尺寸等或者其任意组合。在图11-16中绘示的和下面描述的第一长度光纤仅仅是示例，并没有提供可用于调整VBC光纤组件中的光束特性的第一长度光纤的多样性的详尽叙述。图11-16所示的第一长度光纤的材料、合适的RIP和其他变量的选择至少取决于期望的光束输出。各种各样的光纤变量被考虑在内，并且在所要求保护的主题的范围内。因此，所要求保护的主题不受本文提供的示例的限制。
在图11中，第一长度光纤1100包括阶跃折射率轮廓1102。图12示出了第一长度光纤1200，包括“基座RIP”(即，包括由较大阶跃折射率区域包围的阶跃折射率区域的芯)1202。图13示出了包括多基座RIP 1302的第一长度光纤1300。
图14A示出了第一长度光纤1400，包括由下掺杂区域1404包围的梯度折射率轮廓1418。当扰动光纤1400时，模式可能在光纤1400中径向地向外移动(例如，在光纤1400弯曲期间)。梯度折射率轮廓1402可以被设计成促进保持或甚至压缩模态形状。这种设计可以促进调整在光纤1400中传播的光束，以生成光束强度分布集中在光纤的外周(即，在光纤芯的偏离光纤轴的一部分中)的光束。如上所述，当经调整的光束耦合到具有限制区域的第二长度光纤中时，经调整的光束的强度分布可被限于最外面的限制区域中，从而提供环形强度分布。具有窄外部限制区域的光束光斑可用于实现某些材料加工动作。
图14B示出了第一长度光纤1406，包括由下掺杂区域1408包围的梯度折射率轮廓1414，类似于光纤1400的梯度折射率轮廓。然而，光纤1406包括发散结构1410(低折射率区域)，如轮廓1412所示。发散结构1410是由折射率比周围芯低的材料形成的区域。当光束发射到第一长度光纤1406中时，来自发散结构1410的折射导致光束发散度在第一长度光纤1406中增加。发散度的增加量取决于光束与发散结构1410的空间重叠量以及发散结构1410和芯材料之间的折射率差的大小。发散结构1410可以具有多种形状，这取决于输入发散度分布和期望的输出发散度分布。在一个示例中，发散结构1410具有三角形或梯度折射率形状。
图15示出了第一长度光纤1500，包括由恒定折射率区域1504包围的抛物线折射率中心区域1502。围绕抛物线折射率中心区域1502的低折射率环形层(或低折射率圆环或环)1506在恒定折射率区域1504和抛物线折射率中心区域1502之间。低折射率环1506有助于引导光束在光纤1500中传播。当扰动传播的光束时，模式在光纤1500中径向地向外移动(例如，在光纤1500弯曲期间)。当一个或多个模式径向地向外移动时，抛物线折射率区域1502促进保持模式形状。当模式到达RIP 1510的外部部分的恒定折射率区域1504时，将在低折射率环1506上压缩，这(与图14A和14B所示的第一光纤RIP相比)可能导致第二光纤中最外面的限制区域的优先激励。在一种实现方式中，这种光纤设计与具有中心阶跃折射率芯和单个环形芯的限制光纤一起工作。RIP 1510的抛物线折射率部分1502与限制光纤的中心阶跃折射率芯重叠。恒定折射率部分1504与限制光纤的环形芯重叠。第一光纤的恒定折射率部分1504旨在通过弯曲而使光束更容易移动到与环形芯重叠。这种光纤设计也适用于限制光纤的其他设计。
图16示出了第一长度光纤1600，包括由较低折射率层1610、1612和1614界定的引导区域1604、1606、1608和1616，其中，较低折射率层1610、1612和1614的折射率是阶梯形的，或者更一般地，不都具有相同的值。当扰动组件210(见图2)作用在光纤1600上时，阶梯折射率层可用于将光束强度限制在某些引导区域(1604、1606、1608和1616)。以这种方式，经调整的光束可以通过一系列扰动动作(例如，通过一系列弯曲半径、一系列弯曲长度、一系列微弯曲压力和/或一系列声光信号)被捕获在引导区域中，从而在光束强度分布移动到光纤1600中更远的径向位置之前，允许一定程度的扰动容限。因此，光束特性的变化可以逐步控制。可以调整引导区域1604、1606、1608和1616的径向宽度，以获得期望的环宽度，这是应用可能需要的。此外，如果需要，引导区域可以具有更厚的径向宽度，以便于捕获入射光束轮廓的更大部分。区域1606是这种设计的一个示例。
图17-21绘示出被配置为能够维持和/或限制第二长度光纤(例如，光纤208)中的经调整的光束特性的光纤的示例。这些光纤设计称为“环形限制光纤”，因为包含由环形或环状芯包围的中心芯。这些设计仅仅是示例，并不是对可用于维持和/或限制光纤内的经调整的光束特性的各种光纤RIP的详尽叙述。因此，要求保护的主题不限于本文提供的示例。此外，以上在图11-16中描述的任何第一长度光纤可以与图17-21描述的任何第二长度光纤组合。
图17示出了用于在VBC光纤组件中维持和/或限制经调整的光束特性的示例性第二长度光纤的截面图。当被扰动光束从第一长度光纤耦合到第二长度光纤1700时，第二长度光纤1700可以在一个或多个限制区域1704、1706和/或1708内保持响应于第一长度光纤中的扰动而调整的光束特性的至少一部分。光纤1700具有RIP 1702。限制区域1704、1706和/或1708中的每一个由较低折射率层1710和/或1712界定。这种设计使得第二长度光纤1700能够保持经调整的光束特性。结果，由光纤1700输出的光束将基本上保持所接收到的经调整的光束，如在第一长度光纤中修改的那样，从而给输出光束提供经调整的光束特性，这可以根据加工任务或其他应用定制。
类似地，图18绘示出示例性第二长度光纤1800的截面图，用于维持和/或限制响应于VBC光纤组件中的第一长度光纤的扰动而调整的光束特性。光纤1800具有RIP 1802。然而，限制区域1808、1810和/或1812具有与限制区域1704、1706和1708的厚度不同的厚度。限制区域1808、1810和/或1812中的每一个由较低折射率层1804和/或1806界定。改变限制区域(和/或屏障区域)的厚度能够通过选择限制经调整的光束的特定径向位置来定制或优化所限制的经调整的辐射率轮廓。
图19绘示出具有RIP 1902的示例性第二长度光纤1900的截面图，用于维持和/或限制在VBC光纤组件中被配置为提供可变光束特性的经调整的光束。在该示例中，限制区域1904、1906、1908和1910的数量和厚度不同于光纤1700和1800的数量和厚度，并且屏障层1912、1914和1916也具有不同的厚度。此外，限制区域1904、1906、1908和1910具有不同的折射率，屏障层1912、1914和1916也具有不同的折射率。这种设计可以进一步实现针对光纤1900内的特定径向位置进行限制和/或维持经调整的光束辐射的更精细或优化的定制。当扰动光束从第一长度光纤发射到第二长度光纤1900时，光束的修改后的光束特性(具有经调整的强度分布、径向位置和/或发散角等或其组合)被第二长度光纤1900的一个或多个限制区域1904、1906、1908和/或1910限制在特定半径内。
如前所述，可以保持或调整光束的发散角，然后在第二长度光纤中保持。有多种方法可以改变光束的发散角。以下是光纤的示例，该光纤被配置为能够调整光纤组件中从第一长度光纤传播到第二长度光纤的光束的发散角，以改变光束特性。然而，这些仅仅是示例，并不是对可用于调整光束的发散度的各种方法的详尽叙述。因此，要求保护的主题不限于本文提供的示例。
图20绘示出具有RIP 2002的示例性第二长度光纤2000的截面图，用于修改、维持和/或限制响应于第一长度光纤的扰动而调整的光束特性。在这个示例中，第二长度光纤2000类似于前面描述的第二长度光纤，并且形成VBC光纤组件的一部分，以用于传送可变光束特性，如上所述。具有三个限制区域2004、2006和2008以及三个屏障层2010、2012和2016。第二长度光纤2000还具有位于限制区域2006内的发散结构2014。发散结构2014是由折射率低于周围限制区域的材料形成的区域。当光束发射到第二长度光纤2000中时，来自发散结构2014的折射导致光束的发散度在第二长度光纤2000中增加。发散度的增加量取决于光束与发散结构2014的空间重叠量以及发散结构2014和芯材料之间的折射率差的大小。通过调整在发射到第二长度光纤2000的发射点附近的光束的径向位置，发散度分布可以改变。光束的经调整的发散度在光纤2000中保持，光纤2000被配置为将经调整的光束传送到加工头、另一光学系统(例如，光纤到光纤耦合器或光纤到光纤开关)、工件等或其组合。在一个示例中，发散结构2014可相对于周围材料具有约10-5-3x10-2的折射率下降。可以在本公开的范围内使用折射率下降的其他值，并且所要求保护的主题不限于此。
图21绘示出具有RIP 2102的示例性第二长度光纤2100的截面图，用于修改、维持和/或限制响应于第一长度光纤的扰动而调整的光束特性。第二长度光纤2100形成VBC光纤组件的一部分，以用于传送具有可变特性的光束。在该示例中，具有三个限制区域2104、2106和2108以及三个屏障层2110、2112和2116。第二长度光纤2100还具有多个发散结构2114和2118。发散结构2114和2118是由梯度低折射率材料形成的区域。当光束从第一长度光纤发射到第二长度光纤2100时，来自发散结构2114和2118的折射导致光束发散度增加。发散度的增加量取决于光束与发散结构的空间重叠量以及发散结构2114和/或2118分别与限制区域2106和2104的周围芯材料之间的折射率差的大小。通过调整在发射到第二长度光纤2100的发射点附近的光束的径向位置，发散度分布可以改变。图21所示的设计允许强度分布和发散度分布通过选择特定限制区域和该限制区域内的发散度分布而稍微独立地变化(因为每个限制区域可以包括发散结构)。光束的经调整的发散度在光纤2100中保持，光纤2100被配置为将经调整的光束传送到加工头、另一光学系统或工件。形成具有梯度或非恒定折射率的发散结构2114和2118使得能够调整在光纤2100中传播的光束的发散度轮廓。在由第二光纤传送到加工头时可以保持经调整的光束特性(例如，辐射率轮廓和/或发散度轮廓)。可替代地，当第二光纤通过光纤-光纤耦合器(FFC)和/或光纤-光纤开关(FFS)路由到将光束传送到加工头或工件的加工光纤时，可以保持或进一步调整经调整的光束特性，例如，辐射率轮廓和/或发散度轮廓。
图26-28是示出了光纤和光纤RIP的示例的截面图，该光纤和光纤RIP被配置为能够维持和/或限制在方位不对称的第二长度光纤中传播的光束的经调整的光束特性，其中，响应于耦合到第二长度光纤的第一长度光纤的扰动和/或扰动装置110对光束的扰动，来调整光束特性。这些方位上非对称的设计仅仅是示例，并不是对可用于维持和/或限制方位上非对称的光纤内的经调整的光束特性的各种光纤RIP的详尽叙述。因此，要求保护的主题不限于本文提供的示例。此外，各种第一长度光纤中的任何一种(例如，类似于上述的那些)可以与任何方位上非对称的第二长度光纤(例如，类似于图26-28中描述的那些)组合。
图26示出穿过椭圆光纤2600的横截面的不同方位角处的RIP。在第一方位角2602处，光纤2600具有第一RIP 2604。在从第一方位角2602旋转45o的第二方位角2606处，光纤2600具有第二RIP 2608。在从第二方位角2606旋转另一45o的第三方位角2610处，光纤2600具有第三RIP 2612。第一RIP 2604、第二RIP 2608和第三RIP2612都不同。
图27示出穿过多芯光纤(MCF)2700的横截面的不同方位角的RIP。在第一方位角2702处，光纤2700具有第一RIP 2704。在第二方位角2706处，光纤2700具有第二RIP 2708。第一RIP 2704和第二RIP2708是不同的。在一个示例中，扰动装置110可以在多个平面中起作用，以便将经调整的光束发射到方位不对称的第二光纤的不同区域中。
图28示出穿过具有至少一个新月形芯的光纤2800的横截面的不同方位角处的RIP。在某些情况下，新月形的角可以是圆形、扁平的或其他形状，这可以最小化光学损失。在第一方位角2802处，光纤2800具有第一RIP 2804。在第二方位角2806处，光纤2800具有第二RIP 2808。第一RIP 2804和第二RIP2808是不同的。
图22A示出包括VBC光纤组件2202的激光系统2200的示例，VBC光纤组件2202被配置为提供可变光束特性。VBC光纤组件2202包括第一长度光纤104、第二长度光纤108和扰动装置110。VBC光纤组件2202设置在馈送光纤2212(即，来自激光源的输出光纤)和VBC传送光纤2240之间。VBC传送光纤2240可包括修改、维持和/或限制经调整的光束特性的第二长度光纤108或第二长度光纤108的延伸部分。光束2210经由馈送光纤2212耦合到VBC光纤组件2202中。光纤组件2202被配置为根据上述各种示例改变光束2210的特性。光纤组件2202的输出是经调整的光束2214，其耦合到VBC传送光纤2240中。VBC传送光纤2240将经调整的光束2214传送到自由空间光学组件2208，自由空间光学组件2208然后将光束2214耦合到加工光纤2204中。经调整的光束2214随后由加工光纤2204传送到加工头2206。加工头可以包括导波光学器件(例如，光纤和光纤耦合器)、自由空间光学器件(例如，透镜、反射镜、滤光器、衍射光栅)、和/或光束扫描组件(例如，检流计扫描仪、多边形反射镜扫描仪)或用于对光束2214进行整形并将整形后的光束传送到工件的其他扫描系统。
在激光系统2200中，组件2208的一个或多个自由空间光学器件可以设置在FFC或其他光束耦合器2216中，以对经调整的光束2214(在图22A中以不同于光束2210的虚线的虚线表示)执行各种光学操作。例如，自由空间光学组件2208可保持光束2214的经调整的光束特性。加工光纤2204可具有与VBC传送光纤2240相同的RIP。因此，经调整的光束2214的经调整的光束特性可以一直保持到加工头2206。加工光纤2204可包括类似于上述任何第二长度光纤的RIP，包括限制区域。
可替代地，如图22B所示，自由空间光学组件2208可以通过例如增加或减少光束2214的发散度和/或光斑尺寸(例如，通过放大或缩小光束2214)和/或以其他方式进一步修改经调整的光束2214，来改变光束2214的经调整的光束特性。此外，加工光纤2204可以具有与VBC传送光纤2240不同的RIP。因此，可以选择加工光纤2204的RIP，以保持由组件2208的自由空间光学器件对经调整的光束2214进行的附加调整，从而生成经两次调整的光束2224(在图22B中以不同于光束2214的虚线的虚线表示)。
图23示出了激光系统2300的示例，其包括设置在馈送光纤2312和VBC传送光纤2340之间的VBC光纤组件2302。在操作期间，光束2310经由馈送光纤2312耦合到VBC光纤组件2302中。光纤组件2302包括第一长度光纤104、第二长度光纤108和扰动装置110，并被配置为根据上述各种示例改变光束2310的特性。光纤组件2302生成由VBC传送光纤2340输出的经调整的光束2314。VBC传送光纤2340包括第二长度光纤108，用于根据上述各种示例修改、维持和/或限制光纤组件2302中的经调整的光束特性(例如，参见图17-21)。VBC传送光纤2340将经调整的光束2314耦合到光束开关(FFS)2332中，该光束开关随后将其各种输出光束耦合到多个加工光纤2304、2320和2322中的一个或多个。加工光纤2304、2320和2322将经调整的光束2314、2328和2330传送到相应的加工头2306、2324和2326。
在一个示例中，光束开关2332包括一组或多组自由空间光学器件2308、2316和2318，其被配置为执行经调整的光束2314的各种光学操作。自由空间光学器件2308、2316和2318可以保持或改变光束2314的经调整的光束特性。因此，经调整的光束2314可由自由空间光学器件保持或进一步调整。加工光纤2304、2320和2322可以具有与VBC传送光纤2340的RIP相同或不同的RIP，这取决于是否希望保持或进一步修改从自由空间光学组件2308、2316和2318传送到相应加工光纤2304、2320和2322的光束。在其他示例中，光束2310的一个或多个光束部分耦合到工件，无需调整，或者不同的光束部分耦合到相应的VBC光纤组件，使得可以提供与多个光束特性相关联的光束部分，用于同时的工件加工。或者，光束2310可以切换到一组VBC光纤组件中的一个或多个。
通过自由空间光学组件2308、2316和2318中的任一个路由经调整的光束2314，使得能够将各种附加调整的光束传送到加工头2206、2324和2326。因此，激光系统2300提供附加的自由度来改变光束的特性，并且在加工头之间切换光束(“分时共享”)和/或同时将光束传送到多个加工头(“功率共享”)。
例如，光束开关2332中的自由空间光学器件可以将经调整的光束2314引导到自由空间光学组件2316，该组件被配置为保持光束2314的经调整的特性。加工光纤2304可以具有与VBC传送光纤2340的RIP相同的RIP。因此，传送到加工头2306的光束将是所保持的经调整的光束2314。
在另一示例中，光束开关2332可以将经调整的光束2314引导到自由空间光学组件2318，该组件被配置为保持经调整的光束2314的经调整的特性。加工光纤2320可以具有不同于VBC传送光纤2340的RIP的RIP，并且可以配置在图20和21中所述的发散度改变结构，以对光束2314的发散度分布提供附加的调整。因此，传送到加工头2324的光束将是具有不同于经调整的光束2314的光束发射度轮廓的光束发散度轮廓的经两次调整的光束2328。
加工光纤2304、2320和/或2322可以包括类似于上述任何第二长度光纤的RIP，包括限制区域或各种其他RIP，并且要求保护的主题不限于此。
在又一示例中，自由空间光学开关2332可以将经调整的光束2314引导到自由空间光学组件2308，该组件被配置为改变经调整的光束2314的光束特性。加工光纤2322可以具有不同于VBC传送光纤2340的RIP的RIP，并且可以被配置为保持(或者可替代地进一步修改)光束2314的新的进一步调整的特性。因此，传送到加工头2326的光束将是具有不同于经调整的光束2314的光束特性的光束特性(由于经调整的发散度分布和/或强度分布)的经两次调整的光束2330。
在图22A、22B和23中，FFC或FFS中的光学器件可以通过在发射到加工光纤中之前放大或缩小光束2214来调整空间轮廓和/或发散度轮廓。还可以经由其他光学变换来调整空间轮廓和/或发散度轮廓。也可以调整发射到加工光纤的发射位置。这些方法可以单独使用或组合使用。
图22A、22B和23仅仅提供了使用自由空间光学器件对光束特性的调整的组合和光纤RIP的各种组合的示例，以保持或修改经调整的光束2214和2314。上面提供的示例并非详尽的，仅用于说明目的。因此，所要求保护的主题不限于此。
图24示出了根据本文提供的各种示例的用于扰动VBC光纤200和/或在VBC光纤200中传播的光束的扰动装置、组件或方法的各种示例(为了简单起见，在本文中统称为“扰动装置110”)。扰动装置110可以是各种装置、方法和/或组件中的任何一种，其被配置为能够调整在VBC光纤200中传播的光束的光束特性。可施加于VBC光纤200的各种扰动状态的一些示例包括但不限于弯曲的量或方向、横向机械应力、声波振荡引起的机械压力、温度变化、压电换能器位移以及折射光栅的变化周期或振幅。一个或多个状态的变化建立了不同的扰动状态。为了改变这些状态中的一个或多个，扰动装置110可以是心轴2402、VBC光纤中的微弯曲2404、挠性管2406、声光换能器2408、热装置2410、压电装置2412、光栅2414、夹具2416(或其他紧固件)等或其任意组合。这些仅仅是扰动装置100的示例，并不是扰动装置100的详尽列表，所要求保护的主题不限于此。
心轴2402可用于通过提供VBC光纤200可弯曲的形式来扰动VBC光纤200。如上所述，减小VBC光纤200的弯曲半径，会径向地向外移动光束的强度分布。在一些示例中，心轴2402可以是阶梯形或圆锥形的，以提供离散的弯曲半径水平。可替代地，心轴2402可以包括没有阶梯的锥形，以提供连续的弯曲半径，从而更精确地控制弯曲半径。心轴2402的曲率半径可以是恒定的(例如，圆柱形)或非恒定的(例如，椭圆形)。类似地，挠性管2406、夹具2416(或其他种类的紧固件)或辊250可用于引导和控制VBC光纤200围绕心轴2402的弯曲。此外，改变光纤以特定弯曲半径弯曲的长度，也可以修改光束的强度分布。VBC光纤200和心轴2402可被配置为可预测地改变第一光纤内的强度分布(例如，与光纤弯曲的长度和/或弯曲半径成比例)。辊250可以沿着平台2434上的轨道2442上下移动，以改变VBC光纤200的弯曲半径。
在具有或没有心轴2402的情况下，夹具2416(或其他紧固件)可用于引导和控制VBC光纤200的弯曲。夹具2416可以沿着轨道2442或平台2446上下移动。夹具2416也可以旋转，以改变VBC光纤200的弯曲半径、张力或方向。控制器2448可以控制夹具2416的移动。
在另一示例中，扰动装置110可以是挠性管2406，并且在具有或没有心轴2402的情况下，可以引导VBC光纤200弯曲。挠性管2406可以包围VBC光纤200。管2406可以由多种材料制成，并且可以使用由控制器2444控制的压电换能器来操纵。在另一示例中，夹具或其他紧固件可用于移动挠性管2406。
VBC光纤中的微弯曲2404是由光纤上的侧向机械应力引起的局部扰动。微弯曲可引起模式耦合和从光纤内的一个限制区域过渡到另一限制区域中的一种或两种，从而导致在VBC光纤200中传播的光束的不同光束特性。机械应力可由控制器2440控制的致动器2436施加。例如，VBC扰动装置110可以被配置为通过在选定的径向位置将微弯曲2404提供给VBC光纤200来在一个轴或两个轴上控制VBC光纤200中的光束传播路径。根据一个实施例，致动器2436包括两个致动器探针2436a和2436b，这些探针被定位成在正交方向上向VBC光纤200施加机械应力，从而将在VBC光纤200中传播的光束引导至二维空间中的任何位置。在其他实施例中，提供了几个在方位角上间隔开的探针，以围绕周边以离散的角度施加力，从而修改光束传播路径。然而，这些仅仅于是在光纤200中引起机械应力的方法的示例，所要求保护的主题不限于此。技术人员将会理解，用于光束操纵的各种其他技术也是合适的。
声光换能器(AOT)2408可用于使用声波诱发在VBC光纤中传播的光束的扰动。扰动是由声波的振荡机械压力修改光纤的折射率引起的。声波的周期和强度与声波的频率和振幅相关，从而允许对声波扰动进行动态控制。因此，包括AOT 2408的扰动组件110可以被配置为改变在光纤中传播的光束的光束特性。在一个示例中，压电换能器2418可以产生声波，并且可以由控制器或驱动器2420控制。可以调制AOT 2408中诱发的声波，以实时改变和/或控制VBC 200中光束的光束特性。然而，这仅仅是用于创建和控制AOT 2408的方法的示例，并且所要求保护的主题不限于此。
热装置2410可用于使用热量诱发在VBC光纤中传播的光束的扰动。扰动是通过修改热量诱发的光纤的RIP引起的。扰动可以通过控制传送到光纤的热量和施加热量的长度来动态控制。因此，包括热装置2410的扰动组件110可以被配置为改变一系列的光束特性。热装置2410可由控制器2450控制。
压电换能器2412可用于使用压电作用诱发在VBC光纤中传播的光束的扰动。扰动是通过修改由连接到光纤的压电材料诱发的光纤的RIP引起的。裸光纤周围的护套形式的压电材料可以对光纤施加张力或压缩，从而经由所产生的密度变化来修改其折射率。扰动可以通过控制压电装置2412的电压来动态控制。因此，包括压电换能器2412的扰动组件110可以被配置为在特定范围内改变光束特性。
在一个示例中，压电换能器2412可以被配置为根据多种因素在多个方向(例如，轴向、径向和/或横向)上移动VBC光纤200，这些因素包括压电换能器2412如何连接到VBC光纤200、压电材料的极化方向、施加的电压等。另外，使用压电换能器2412可以弯曲VBC光纤200。例如，驱动具有包括相对电极的多个区段的一段长度的压电材料可导致压电换能器2412在侧向方向上弯曲。由电极2424施加到压电换能器2412的电压可以由控制器2422控制，以控制VBC光纤200的位移。可以调制位移，以实时改变和/或控制VBC 200中光束的光束特性。然而，这仅仅是使用压电换能器2412控制VBC光纤200的位移的方法的示例，并且所要求保护的主题不限于此。
光栅2414可用于诱发在VBC光纤200中传播的光束的扰动。光栅2414可以通过将折射率的周期性变化记入芯内来写入光纤中。光栅2414(例如，光纤布拉格光栅)可以作为滤光器或反射器来操作。长周期光栅可以诱发在同向传播光纤模式之间的过渡。因此，可以使用长周期光栅来调整由一个或多个模式组成的光束的辐射率、强度轮廓和/或发散度轮廓，以将一个或多个原始模式耦合到具有不同辐射率和/或发散度轮廓的一个或多个不同模式。通过改变折射率光栅的周期或振幅来实现调整。例如，改变光纤布拉格光栅的温度、弯曲半径和/或长度(例如，拉伸)等方法可以用于这种调整。具有光栅2414的VBC光纤200可以联接到工作台2426。工作台2426可以被配置为执行多种功能中的任何一种，并且可以由控制器2428控制。例如，工作台2426可以用紧固件2430联接到VBC光纤200，并且可以被配置为使用紧固件2430来拉伸和/或弯曲VBC光纤200，以发挥杠杆作用。载物台2426可以具有嵌入式热装置，并且可以改变VBC光纤200的温度。
图25示出了在不使用自由空间光学器件来调整光束特性的情况下，用于调整和/或保持光纤内的光束特性的示例过程2500。在方框2502中，扰动第一长度光纤和/或光束，以调整一个或多个光束特性。过程2500移动到方框2504，其中，将光束发射到第二长度光纤中。过程2500移动到方框2506，其中，具有经调整的光束特性的光束在第二长度光纤中传播。过程2500移动到方框2508，其中，在第二长度光纤的一个或多个限制区域内保持光束的一个或多个光束特性的至少一部分。第一长度光纤和第二长度光纤可以由相同的光纤组成，或者可以是不同的光纤。
本发明人认识到相对高速的扰动致动优化了某些激光加工操作。在这种情况下，相对高速的扰动意味着由于材料特性和散热机制，比材料温度更快地切换扰动状态，可以显著地模拟高度局部化的曝光强度变化。用快速致动器实现的扰动装置(例如，压电或音圈致动器)可以用来模拟各种可选的时间和空间效果。这些效果根据不同限制区域的重复序列(即模式)快速改变经调整的光束位置以用于限制光束。在一个实施例中，抖动光束的受控振荡或其他高速的可编程的依次调整快速改变光束的限制部分，以在第二长度光纤的输出端产生改善切割或焊接性能的暂时的视在强度分布(也简称为时间分布)。
与之前参考图7-10描述的纯空间强度分布相反，暂时的视在强度分布基于例如根据在区域中离散的位置所传送的功率的某个可重复序列传送到区域上的平均或累积光束功率。换言之，时间加权或时间平均功率意味着光束的功率在任何特定时间不需要直接增加或减少来影响工件的区域。相反，有效光束前沿的区域被细分为光束入射的位置，并且在某些位置的停留时间是可调整的，以改变在区域中的位置处可传送的时间加权功率。
图29、30和31通过示例示出了根据第二长度光纤208构造的一组限制区域如何充当前述的离散的位置。图29示出了在可控时间量内传送到限制区域216的光功率2900。同样，图30示出了在可控时间量内传送到限制区域218的光功率3000。图31示出了在另一可控时间量内传送到限制区域220的光功率3100。然而，光束功率传送到限制区域216、218和220中的每一个的时间量和顺序是可控的，并且可以动态变化，以便产生可选择的暂时的视在强度分布。因此，根据位置和停留时间的可重复序列，光束功率不仅在空间上而且在时间上分布在相关区域中的两个或多个位置上。虽然本领域技术人员将会理解，基本上任何时间分布都是可能的，但是在图32A、32B和32C中呈现了暂时的视在强度分布的几个示例。注意，下列字母“A”、“B”、“C”等表示不同的可选时间分布。
图32A、32B和32C示出了三种不同的时间加权配置，用于分别形成平顶3210、鞍形(或可选的环形)3220和阶梯形(即，高粒度高斯近似)3230的暂时的视在强度分布。如前所述，当序列强度传送到一组限制区域的不同元件时，形成这些暂时的视在强度分布，并且该序列根据模式进行重复。因此，不同的序列(即，限制区域活动的特定顺序)可以在最终产生基本相同的最终时间分布的模式中重复，尽管模式中的序列不同。
然而，在这个范例中，至少有两种方法可以实现时间分布。首先，当序列中不同的目标位置(即，这组限制区域中的一个或多个成员)可以变化时，光束停留。第二，对于所有目标位置，停留时间可以相等，但是一些目标位置随序列重复。(词语“序列”不需要暗示连续的目标位置是相邻的，尽管在一些实施例中可以是相邻的，例如，抖动)。任一种技术都能够使时间平均或时间加权有效地将静态强度分布转换成各种时间分布，这些时间分布不需要由先前描述的固有(例如，静态弯曲)扰动状态静态地致动。因此，为了便于描述，用百分比描述强度，并且用可变停留时间来描述下面的示例。
平顶分布3210在每个区域的停留时间约为33.33％。鞍形分布3220的停留时间在区域220中约为57.2％，在区域218中约为28.6％，在区域216中约为14.2％。阶梯形分布3230的停留时间在区域220中约为14.2％，在区域218中约为28.6％，在区域216中约为57.2％。各种其他百分比也是可能的，例如，75/25％。在非百分比的绝对项中，技术人员将理解，特定位置的停留时间是期望分布、激光工艺类型和工件的热材料特性(例如，热导率、热扩散率、比热、熔点或其他特性)的函数。
用于实现暂时的视在强度分布的致动速度也可能取决于正在加工的工件材料的类型。例如，为了在高导热材料(例如，铜或铝)中适当地混叠时间分布(即，缓和光束位置转变的效果)，使用更快的致动速率。另一方面，光束位置之间稍微较慢的转变可以提供适合于对导热性较低的材料(例如，吸收大量热量的大钢板)进行激光加工操作的时间分布。例如，已经设想到大约20毫秒(ms)的停留时间来改善激光穿孔操作期间的结果。然而，技术人员将会理解，更短的停留时间是可能的。
图33示出了用根据由示例VBC光纤100表示的公开范例构造的VBC光纤3306形式的光束传送装置3302实现的光束整形器系统3300(参见例如图1以获得更多细节)。为简明起见，图1的一些先前描述的细节被进一步简化，因此在图33中不再再现。
激光源3010发射在第一长度光纤3312中传播的光束102(图1)，第一长度光纤3312对应于第一长度光纤104(图1)。光束102入射到VBC光纤3306上。扰动装置110与VBC光纤3306结合操作，并向VBC光纤3306施加不同的扰动状态(例如，不同的量或方向)，扰动装置110将光纤模式引导至第二长度光纤3320的不同的相应限制区域，第二长度光纤3320对应于第二长度光纤108(图1)。第二长度光纤3320是根据由示例MCF2700(例如，参见图27)表示的公开范例构造的MCF 3400(图34)，但是具有多个由设计者选择的芯，如下所述。
如先前参考图24所述，利用图29-31所示的示例输出结果，控制器3330使得光束整形器系统3300能够选择性地将光束102的光纤模式(即，强度分布)移动到第二长度光纤3320的输入处的不同区域。在一些实施例中，控制器3330包括具有输入输出(I/O)装置的计算机工作站，该输入输出(I/O)装置适于与扰动装置110建立信号接口，以便用信号通知对应于通过例如用户输入指示的期望光束形状的扰动状态。技术人员将理解，控制器3330可以包括中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他适于执行逻辑操作的控制装置。控制器3330还可以包括在其上存储指令的非暂时性机器可读存储介质，当执行指令时，使得控制器3330执行本公开中描述的任何方法或操作。
在第一“A”配置中，控制器3330用信号通知扰动装置110，以将扰动状态的第一序列(即，模式)施加到VBC光纤3306，从而在第二长度光纤3320的输出端建立第一暂时视在强度分布3340A。然后，具有第一选定强度分布3340A的输出光束由加工头3350传送到工件3360。
在随后的“B”配置中，控制器3330用信号通知扰动装置110，以将不同于第一状态的第二扰动状态施加到VBC光纤3306，从而在第二长度光纤3320的输出端建立不同于第一选定强度分布3340A的第二选定强度分布3340B。因此，扰动装置110响应于来自控制器3330的控制信号，向VBC光纤3306施加选定量或方向的快速弯曲，该快速弯曲依次地将光纤模式移动到一组限制区域的不同目标位置，从而提供在第二长度光纤3320的输出端建立不同的、可选的暂时视在强度分布3370的方式。将在后面描述关于强度分布3340B、3340C和3340D的配置的另外的细节。
正如每个分布3370具有过程特定的停留时间和空间参数一样，基于不同的工件材料属性做出不同的暂时的视在强度分布3370选择。因此，根据一些实施例，例如，响应于待加工材料的类型的选定变化3380或者用于与工件3360的类型相同或不同的类型的材料的间接相关的校准设置的选定变化3380，间接地配置从一种扰动模式到另一种模式的变化。在其他实施例中，例如，通过直接选择3390期望的光束形状(即，潜在地与材料无关)，直接地配置从一种扰动模式到另一种模式的变化。因此，用户可以通过例如由控制器3330提供的选择接口3396来简单地选择材料或光束形状，以便动态地改变光束形状。也可以完全或部分自主地进行改变。为简明起见，直接或间接选择的结果强度分布简称为选定强度分布。
虽然强度分布3340A、3340B、3340C和3340D不是完全方位对称的，但是本领域技术人员将理解，方位对称的强度分布的选择有时被理解为意味着强度轮廓的选择，因为在方位对称的一组限制区域中，给定强度轮廓在这组限制区域中的任何径向横截面位置上通常是相同的。
图34和35示出了MCF 3400。在图34中，右侧芯3410是用于产生视在分布的一组限制区域中的有效成员，如前所述。同样，在图35中，左侧芯3510是该组中的有效成员。然而，技术人员将理解，MCF 3400中的每个芯可用于传送光功率，因此，共同提供用于生成各种模式的光纤像素阵列(或所谓的光纤像素)，在图36A、36B、36C和36D中示出其示例，分别作为图33所示的强度分布3340A、3340B、3340C和3340D的放大表示。注意，“顶部”、“底部”、“左侧”、“右侧”等用作一个示例的参考系，以便于描述。实际上，实际方向可能会有所不同。
与前面描述的同轴限制区域示例相反，光纤像素能够实现非方位对称的功率密度。例如，通过避免停留在顶部和底部区域而建立蝴蝶结形的强度分布3340A。非方位对称的功率密度有许多应用。
例如，当切割时，图36B所示的非方位对称的功率密度可以在切口的切出侧部传送较高的时间平均功率，而在切口的中心传送较低的时间平均功率。未示出的相反配置是有用的，例如，用于熔化先前切出的侧部或提高切割质量的其他方面。
图36C示出了当将两种不同类型的金属焊接在一起时有用的示例。图36C的非方位对称的光束形状在光束的一侧向具有第一热响应的一种类型金属传送较高的时间加权功率。同时，该形状在光束的另一侧向另一种具有不同于第一热响应的第二热响应的其它类型金属传送较低的时间加权功率。
最后，图36D示出了相对较高的时间平均功率的细长条带3340D。这对于产生更宽的切口是有用的。此外，根据一些实施例，随着更新用于产生条带3340D的序列，条带可以相对缓慢地围绕中心芯顺时针或逆时针旋转。因此，模式包括较长的序列(即，不同的条带序列)，这基本上导致旋转的条带时间分布。更一般地，任何时间分布都可以动态变化。例如，时间加权功率可以动态改变，以适应切割时的不同层或包覆层，单独的序列或整个模式可以与馈送速度和工件几何形状同步改变，以优化切割。模式可以快速转变，以产生适用于不同合金、厚度或涂层的不同的、暂时的视在强度分布。
申请人目前认为，上述动态变化也有助于在工件中引起热致机械振动。一般来说，在结构的共振频率处或附近引起的振动用于大幅放大振动强度。为了便于材料分离，可以利用这种现象快速传播材料缺陷(例如，裂纹)。振动可能是在所描述的过程操作中经历的温度快速变化的结果。在这些情况下，故意低于所谓的混叠速度来执行序列的速度，以使特定位置的温度曲线在共振频率下明显振荡。可以通过光源的脉冲操作更容易地实现这些优点。尽管有上述观念，但是热致机械振动是否会促进材料分离将取决于特定应用的参数，例如，普通材料的热性能、实际使用条件和致动机构。
所公开的光纤耦合技术提供了不同的、暂时的视在强度分布，其可针对不同的材料进行调整，并优化激光加工(即，切割、焊接、上釉或其他类型的加工)。其中，所公开的技术解决了仅在空间上可选择的光束轮廓具有受限的静态强度分布设置的问题。因此，所公开的技术有助于调整切口尺寸、熔体喷射(边缘质量)或其他激光加工参数。
已经描述和示出了当前公开技术的示例的一般原理和具体原理，应该清楚的是，在不脱离这些原理的情况下，可以在设置和细节上修改这些示例。我们要求保护落入以下权利要求的精神和范围内的所有修改和变化。

Claims (20)

1.一种光束传送装置，所述光束传送装置被配置为关于一组限制区域中的成员依次地调整传播路径，以用于建立可控的、暂时的视在强度分布，所述光束传送装置包括：
第一长度光纤，所述第一长度光纤具有用于光束传播的第一折射率轮廓(RIP)，所述第一RIP能够响应于所施加的扰动来修改所述光束，以形成经调整的光束，所述经调整的光束能够响应于所施加的不同的扰动状态移动以沿着不同的传播路径传播；以及
第二长度光纤，所述第二长度光纤耦合到所述第一长度光纤，并且具有不同于所述第一RIP的第二RIP，限定所述一组限制区域，所述一组限制区域被设置为限制所述经调整的光束的对应于所施加的扰动状态的至少一部分，其中，所述一组限制区域中的不同成员占据不同的位置，以在所述第二长度光纤的输出端提供不同的强度分布，使得响应于依次施加不同的扰动状态，所述一组限制区域中的所述经调整的光束的被限制部分从中传播通过的不同成员在所述第二长度光纤的输出端建立所述可控的、暂时的视在强度分布。
2.根据权利要求1所述的光束传送装置，其中，所述一组限制区域包括同轴限制区域。
3.根据权利要求1或2所述的光束传送装置，其中，所述可控的、暂时的视在强度分布具有暂时的视在强度轮廓，所述暂时的视在强度轮廓选自包括高斯、鞍形、环形、细长和基本平顶的视在强度轮廓的群组。
4.根据权利要求1所述的光束传送装置，其中，所述第一RIP包括梯度折射率RIP。
5.根据权利要求1所述的光束传送装置，其中，所述不同的扰动状态包括机械振荡，所述机械振荡被配置为在所述一组限制区域中的两个或更多个成员之间移动所述经调整的光束的传播路径。
6.根据权利要求1所述的光束传送装置，其中，所述光束传送装置还包括扰动装置，所述扰动装置包括音圈或压电装置。
7.根据权利要求1所述的光束传送装置，其中，所述第二长度光纤包括多芯光纤。
8.一种光功率定序器，其用于产生可控的、暂时的视在强度分布，所述光功率定序器包括：
激光源，所述激光源用于提供光束；
可变光束特性(VBC)光纤，所述可变光束特性光纤包括彼此耦合的第一长度光纤和第二长度光纤，所述第一长度光纤和所述第二长度光纤分别具有彼此不同的第一折射率轮廓(RIP)和第二折射率轮廓(RIP)，所述第一RIP能够响应于施加到所述VBC光纤上的扰动来修改所述光束，以形成在所述第二长度光纤的输入端呈现强度分布的经调整的光束，所述强度分布能够基于不同的扰动状态进行调整，并且所述第二RIP由一组限制区域限定，所述一组限制区域被设置为限制所述经调整的光束的对应于所述强度分布的至少一部分；以及
控制器，所述控制器可操作地耦合到所述VBC光纤，并被配置为控制扰动装置，所述扰动装置基于来自所述控制器的信号施加所述不同的扰动状态，所述信号表示所述一组限制区域中的所述经调整的光束的被限制部分应该从中传播通过的哪个或哪些成员，以便在所述第二长度光纤的输出端建立可控的、暂时的视在强度分布。
9.根据权利要求8所述的光功率定序器，其中，所述信号被配置为致使所述扰动装置产生施加到所述VBC光纤的快速机械振荡。
10.根据权利要求8所述的光功率定序器，其中，所述光功率定序器还包括扰动装置，且所述扰动装置包括音圈或压电装置。
11.根据权利要求8所述的光功率定序器，其中，所述控制器被配置为当改变所述一组限制区域中的所述被限制部分应该从中传播通过的一个或多个成员时，致使所述扰动装置改变光束停留时间。
12.根据权利要求8所述的光功率定序器，其中，所述一组限制区域包括同轴限制区域。
13.根据权利要求8所述的光功率定序器，其中，所述一组限制区域包括非同轴限制芯。
14.一种通过关于一组限制区域中的成员依次地调整用于建立可控的、暂时的视在强度分布的传播路径来激光加工材料的方法，所述方法包括：
在可变光束特性(VBC)光纤处接收光束，所述可变光束特性光纤包括第一长度光纤和第二长度光纤，所述第一长度光纤和所述第二长度光纤分别具有彼此不同的第一折射率轮廓(RIP)和第二折射率轮廓(RIP)，所述第一RIP能够响应于施加到所述VBC光纤上的扰动来修改所述光束，以形成经调整的光束，且所述第二RIP由所述一组限制区域限定，所述一组限制区域被设置为限制所述经调整的光束的对应于施加到所述VBC光纤上的扰动状态的至少一部分；并且
向所述VBC光纤施加不同的扰动状态，以改变所述传播路径和所述一组限制区域中的所述经调整的光束的被限制部分从中传播通过的成员，从而在所述第二长度光纤的输出端建立所述可控的、暂时的视在强度分布。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一组限制区域包括第一区域和同轴地包围所述第一区域的第二区域，并且所述施加包括在所述第一区域和所述第二区域之间抖动光强度。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一组限制区域包括第一芯和与所述第一芯间隔开的第二芯，并且所述施加包括在所述第一芯和所述第二芯之间抖动光强度。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述施加包括：
施加第一扰动状态并持续第一持续时间；以及
施加第二扰动状态并持续不同于第一持续时间的第二持续时间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一扰动 状态包括所述第一长度光纤的未扰动状态。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述不同的扰动状态对应于不同传播路径的可重复模式。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一RIP包括梯度折射率RIP。
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